Шта је вакуумска цев и како делује

Можда ћете доћи у искушење да одбаците добру стару цев као реликт прошлости - уосталом, како неколико комада метала у прослављеној сијалици може да се одржи на данашњим транзисторима и интегрисаним круговима? Иако су цеви изгубиле место на излогу потрошачке електронике, али и даље остају безначајна употреба тамо где постоји потреба за великом снагом на врло високим фреквенцијама (опсег ГХз), као што су радио и телевизијско емитовање, индустријско грејање, микроталасне пећнице, сателити комуникације, акцелератори честица, радар, електромагнетно оружје, плус неколико апликација које захтевају ниже нивое снаге и фреквенције, као што су мерачи зрачења, рендгенске машине и аудиофилска појачала.

Пре 20 година већина екрана користила је вакуумску цев за слике. Јесте ли знали да можда и око ваше куће вреба неколико цеви? У срцу ваше микроталасне пећнице лежи магнетна цев, односно тачније лежи у утичници. Његов посао је да генерише РФ снаге велике снаге и високе фреквенције које се користе за загревање онога што ставите у рерну. Другачији кућански уређај са цевчицом у унутрашњости је стари ЦРТ телевизор који сада највероватније седи у картонској кутији на тавану након што је замењен новим телевизором са равним екраном. ТДП значи "катодних цеви"- те цеви се користе за приказ примљеног видео сигнала. Прилично су тешки, велики и неефикасни у поређењу са ЛЦД или ЛЕД дисплејима, али посао су одрадили пре него што су се у рад појавиле друге технологије. Добра је идеја учити о њима, јер се толико данашњице света још увек ослања на њих, већина ТВ предајника користи вакуумске цеви као свој излазни уређај, јер су ефикаснији на високим фреквенцијама од транзистора. Без магнетрон вакуумских цеви не би постојале јефтине микроталасне пећи, јер су полупроводничке алтернативе тек недавно измишљене и остају скупе. Много кола као што су осцилатори, појачала, мешалице итд. Лакше је објаснити цевима и видети како раде, јер класичне цеви, посебно триоде,изузетно је лако пристрасно са мало компонената и израчунати њихов фактор појачања, пристрасност итд.

Како делују вакуумске цеви?

Редовне вакуумске цеви раде на основу феномена који се назива термионска емисија, такође познат као Едисонов ефекат. Замислите да је врели летњи дан који чекате у реду у загушљивој соби, поред зида са грејачем дужине, неки други људи такође чекају у реду, а неко укључује грејање, људи почињу да се удаљавају од грејач - тада неко отвори прозор и пусти хладан поветарац, због чега ће сви мигрирати до њега. Када се термионска емисија догоди у вакуумској цеви, зид грејача је катода, загревана жарном нити, људи су електрони, а прозор је анода. У већини вакуумских цеви цилиндрична катода се загрева жарном нити (која се не разликује превише од оне у сијалици), узрокујући да катода емитује негативне електроне које привлачи позитивно наелектрисана анода, узрокујући да струја струји у аноду и ван катоде (запамтите,струја иде у супротном смеру од електрона).

У наставку објашњавамо еволуцију вакуумске цеви: диоде, триоде, тетроде и пентоде, као и неке посебне врсте вакуумских цеви као што су Магнетрон, ЦРТ, рендгенске цеви итд.

У почетку су постојале Диоде

Ово се користи у најједноставнијој вакуумској цеви- диода која се састоји од нити, катоде и аноде. Електрична струја протиче кроз нит у средини, узрокујући њено загревање, сјај и емитовање топлотног зрачења - слично сијалици. Угрејана нит загрева околну цилиндричну катоду, дајући довољно енергије електронима да превладају радну функцију, узрокујући да се око загрејане катоде формира облак електрона који се назива простор свемирског наелектрисања. Позитивно наелектрисана анода привлачи електроне из подручја свемирског наелектрисања узрокујући проток електричне струје у цеви, али шта би се догодило да је анода негативна? Као што знате из средњошколских часова физике попут одбијања наелектрисања - негативна анода одбија електроне и струја не тече, све се то дешава у вакууму, јер ваздух спречава проток електрона. Тако се диода користи за исправљање наизменичне струје.

Ништа попут добре старе Триоде!

Године 1906. амерички инжењер под називом Лее де Форест открио је да додавање мреже, назване контролна мрежа, између аноде и катоде омогућава контролу анодне струје. Конструкција Триоде слична је диоди, с тим што је мрежа направљена од врло фине мобилденијумске жице. Контрола се постиже пристрашавањем мреже напоном - напон је обично негативан у односу на катоду. Што је напон негативан, струја је нижа. Када је мрежа негативна, одбија електроне, смањујући анодну струју, ако је позитивна тече више анодне струје, по цену да мрежа постане сићушна анода, што доводи до стварања мрежне струје која може оштетити цев.

Триоде и друге „решеткасте“ цеви су обично пристрасне повезивањем отпора велике вредности између мреже и земље, а отпора ниже вредности између катоде и земље. Струја која пролази кроз цев узрокује пад напона на катодном отпору, повећавајући напон катоде у односу на масу. Решетка је негативна у односу на катоду, јер је катода у већем потенцијалу од тла на које је мрежа повезана.

Триоде и друге уобичајене цеви могу се користити као прекидачи, појачала, мешалице, а постоји и мноштво других начина избора. Може појачати сигнале применом сигнала на мрежу и пуштајући га да управља анодном струјом, ако се између аноде и напајања дода отпорник, појачани сигнал може се извадити из напона аноде, јер анодни отпор и цев делују слично деличу напона, при чему триодни део варира свој отпор у складу са напоном улазног сигнала.

Тетроде у помоћ!

Рани триод патио је од ниског појачања и високих паразитских капацитета. Двадесетих година 20. века утврђено је да је постављање друге (сита) мреже између прве и аноде повећало појачање и смањило паразитске капацитете, нова цев је добила назив тетрода, што значи на грчки четворо (тетра) начин (оде, суфикс). Нова тетрода није била савршена, патила је од негативног отпора узрокованог секундарном емисијом која би могла да изазове паразитске осцилације. До секундарне емисије дошло је када је напон друге мреже био већи од анодног напона, што је проузроковало пад анодне струје када су електрони погодили аноду и избацили друге електроне и електроне који су привучени мрежом позитивног екрана, што је проузроковало додатно могуће штетно повећање струја мреже.

Пентоде - коначна граница?

Истраживање начина смањења секундарне емисије резултирало је проналаском пентоде 1926. године од стране холандских инжењера Бернхарда ДХ Теллегена и Гиллеса Холста. Утврђено је да додавање треће мреже, која се назива мрежа сузбијача, између решетке екрана и аноде, уклања ефекте секундарне емисије одбијајући електроне избијене из аноде натраг на аноду, јер је она повезана или са земљом или са катода. Данас се пентоде користе у предајницима испод 50МХз, јер тетроде у предајницима раде добро до 500МХз, а триоде до гигахерцног опсега, а да не говоримо о употреби аудиофила.

Различите врсте вакуумских цеви

Поред ових „обичних“ цеви постоји и пуно специјализованих индустријских и комерцијалних цеви дизајнираних за различите намене.

Магнетрон

Магнетронско је сличан диода, али са резонантне шупљине обликоване у аноде тубе и целе цеви се налази између два моћна магнета. Када се примени напон, цев започиње са осцилацијом, електрони пролазећи кроз шупљине на аноди, узрокујући стварање радиофреквенцијских сигнала, у процесу сличном звиждању.

РТГ цеви

Рентгенске цеви се користе за генерисање рендгенских зрака у медицинске или истраживачке сврхе. Када се на вакуумску цевчицу емитују довољно високи напони, излазе рентгенски зраци диоде, што је већи напон то је таласна дужина краћа. Да би се бавио загревањем аноде, узрокованим ударом електрона, анода у облику диска се окреће, па електрони погађају различите делове аноде током њене ротације, побољшавајући хлађење.

ЦРТ или катодна цев

ЦРТ или „катодна цев“ били су главна технологија приказивања у то време. У монохроматском ЦРТ-у врућа катода или нит која делује као катода емитују електроне. На путу до анода пролазе кроз малу рупу у Вехнелтовом цилиндру, цилиндар који делује као контролна мрежа за цев и помаже у фокусирању електрона у уски сноп. Касније их привлачи и фокусира неколико високонапонских анода. Овај део цеви (катода, Вехнелтов цилиндар и аноде) назива се електронским пиштољем. Након проласка анода пролазе кроз отклонске плоче и ударају на флуоресцентни предњи део цеви, узрокујући да се појави светла тачка на месту где сноп удари. Отклонске плоче се користе за скенирање зрака преко екрана привлачењем и одбијањем електрона у њиховом правцу, има их два пара, један за Кс осу и један за И осу.

Мали ЦРТ направљен за осцилоскопе, јасно можете видети (с леве стране) Вехнелтов цилиндар, кружне аноде и отклонске плоче у облику слова И.

Цев са путујућим таласом

Цеви са путујућим таласима користе се као појачавачи снаге РФ на бродским сателитским сателитима и другим свемирским летелицама због своје мале величине, мале тежине и ефикасности на високим фреквенцијама. Као и ЦРТ, позади има електронски пиштољ. Завојница названа „спирала“ намотана је око снопа електрона, улаз цеви је повезан са крајем завојнице ближе електронском пиштољу, а излаз се узима с другог краја. Радиоталас који тече кроз завојницу делује у интеракцији са снопом електрона, успоравајући га и убрзавајући у различитим тачкама, узрокујући појачавање. Завојница је окружена магнетима за фокусирање снопа и пригушивачем у средини, чија је сврха спречити појачани сигнал да се врати на улаз и изазове паразитске осцилације. На крају цеви налази се колектор,будући да је упоредива са анодом триоде или пентоде, али се из ње не узима излаз, налази се. Електронски зрак удара у колектор, завршавајући своју причу унутар цеви.

Геигер – Муллер цеви

Геигер-Муллер-ове цеви користе се у мерачима зрачења, састоје се од металног цилиндра (катоде) са рупом на једном крају и бакарне жице у средини (аноде) унутар стаклене коверте напуњене посебним гасом. Кад год честица прође кроз рупу и на кратак тренутак удари у зид катоде, гас у цеви се јонизује, омогућавајући проток струје. Овај импулс се може чути на звучнику бројила као карактеристичан клик!